專利名稱:鹵代毒性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的制作方法
本發(fā)明通常與有機化學領域有關，尤其與危險廢物的去毒有關。
化學、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)的廢物處理是當代的一個嚴重問題。尤其是，有許多化學廢物，例如各種不同的鹵代烴，是不能生物降解的，于是必須貯存在安全、指定的區(qū)域，或者在專門設計的反應器中焚化。
例如，設計了焚化系統(tǒng)用于破壞鹵代烴，特別能使多氯化的聯(lián)二苯(PCB)化合物去毒。由于這些化合物的持久性和生態(tài)損害作用，自1976年以來美國已停止生產(chǎn)，但是仍大量貯存著，這是一種嚴重的危害。
在特殊的處理過程中，有機廢物在約1000℃溫度下汽化和完全地或部分地氧化。不能燃燒的灰分由反應室中直接排出，而廢氣通過約1200℃的第二燃燒室，使化合物完全熱分解。不過，這種焚化系統(tǒng)不僅需要兩個輸入能量相當大的燃燒室，而且也往往不能完全消除在流出廢物中有鹵代烴存在?？磥?，用于在空氣存在的情況下燃燒鹵代烴的這種和以前其他的焚化系統(tǒng)，在燃燒室中產(chǎn)生自由的氯氣，然后在出口流出物中又形成鹵代烴。盡管初始的危險化合物通過這些反應可能已裂解，但是任何鹵代烴都是危險的，而且是諸如氯代烴之類的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品是在燃燒室中由于自由氯氣的存在而產(chǎn)生的，仍然有礙于安全處理焚化產(chǎn)品。因此，如果產(chǎn)生的灰分不干凈，就必須再處理和再檢驗，而且“臟的”灰分必須密封好和貯存起來，一直到安全的處理方法成為可行為止。
目前的發(fā)明是處理含鹵素有機化合物的工藝，例如處理四氯化碳、氯仿、甲基氯仿、四氯乙烯、甲叉二氯、氟利昂、多氯化聯(lián)苯、dioxins及其他，將這些化合物轉(zhuǎn)化成對環(huán)境無害的物質(zhì)。
尤其是，提供一種處理含鹵素有機化合物的方法，這種方法是在約825°-1，125℃范圍內(nèi)，在還原氣層熱解化合物。特別是上述反應溫度可通過燃燒甲烷和氧氣產(chǎn)生，甲烷的用量超過按化學計算與氧氣反應所需的數(shù)量，因此提供了還原氣層。
按照已知的方法汽化待轉(zhuǎn)化的化合物，然后在用適當耐熱材料制成的容器中混合甲烷和該化合物形成還原氣層。所需的溫度可由反應容器周圍的外部加熱器提供，或者在反應容器內(nèi)燃燒甲烷與有限量的氧氣提供。但是應該注意到，甲烷用量必須超過與氧氣按下式反應計算的用量。
在這些條件下，鹵素和碳之間的鍵將要斷開，即所有的氯將反應生成氯化氫，并且所有有機化合物將轉(zhuǎn)變成氫、乙烯、乙炔和苯的化合物，而且?guī)в休^少的碳和較多的芳香族化合物。由于在反應容器中沒有剩余的氧，所以dioxins和其他的氯代烴就不會形成或再形成。氯化氫用水堿、石灰進行適當?shù)臒峤粨Q或者一般的堿洗之后，可從氣流中除去，而且烴類和碳可用作燃料或化學用途。
當然，還原氣層可用其他反應物產(chǎn)生，例如氫氣，而不用甲烷。不過甲烷來源廣，而且容易使用，下面就甲烷進行詳細說明。
附圖主要說明附圖示意地說明本發(fā)明和舉例，包括一個按照本發(fā)明適合執(zhí)行此過程的裝置。
根據(jù)需要，在這里揭示，本發(fā)明的一種詳細的、說明性的具體裝置。當然，這個裝置僅僅是說明本發(fā)明的一個例子，本發(fā)明可以采用與此不同的裝置。因此，特定的結構和功能細節(jié)不能理解為必要的限制，而只是構成限定本發(fā)明專利范圍的基礎。
工藝過程操作是，在還原氣層中，至少在1000℃溫度下加熱待裂解的化合物約1秒鐘。反應器可在外部加熱以保持這個溫度，例如用甲烷加熱器或者類似加熱設備，或者加氧氣燃燒甲烷或其他燃料進行內(nèi)部加熱以提供所需的反應溫度。在內(nèi)部加熱時剩余的燃料對所加的氯代化合物產(chǎn)生還原性的熱解作用。另一種方法是，還原性混合物(剩余燃料和有機鹵化物)可斷續(xù)地進行氧化加熱，使得斷續(xù)處理的流出物保持分開。
更準確地說明請參考附圖。提供的反應器10包括一根不透氣的套管12，此套管限定了內(nèi)部細長反應室或反應區(qū)14。由于在反應區(qū)14產(chǎn)生的氯化氫有腐蝕性，套管12應在內(nèi)部涂以陶瓷，例如氧化鋁、硅石或類似材料，或者金屬碳化物，moride或氮化物。反應器10在一端15有一氣體入口導管16，用以將甲烷輸入第一入口管18，反應器10還有第二氣體入口導管20，用以將氧氣輸入管子18。氣體入口導管16和20分別都裝有流量計量閥22和24，按比例控制甲烷和氧氣進入管子18和反應區(qū)14內(nèi)燃燒器尖端26的流量，以進行需要的氧化加熱。一般來說，從約1625°到2100℃的火焰溫度將提供足夠的熱量。襯套28穿過反應器壁在端部15插入，穿過端部15伸出電線30和32連到反應區(qū)14內(nèi)的電阻絲34上，34安置在氧化加熱尖端26附近。要不然，電花線圈或其他點火裝置也可以采用。
反應器10也包括入口36和入口導管40和42。入口36用于將含鹵素的化合物或廢料輸入第二入口管38;入口導管40和42分別用于輸入甲烷和水蒸汽。入口36、40和42分別裝有計量閥44、46和48，用于控制通過入口管38到反應區(qū)14內(nèi)尖端50的相應氣體的流量。反應器10的對應端52有出口裝置54，用于排出反應區(qū)14的氣體產(chǎn)物，而且裝有出口計量閥56。最好此反應旨在排出產(chǎn)物以便保持轉(zhuǎn)化所需的停留時間，一般約二到五秒鐘。因此，調(diào)節(jié)輸入閥22、24、46、48和68以及計量出口閥56，以保持反應區(qū)14內(nèi)的壓力，大約為大氣壓力。但是，適當?shù)卣{(diào)節(jié)上述閥門在反應器10內(nèi)產(chǎn)生超大氣壓力可增加通過量。
熱交換裝置58用于控制反應區(qū)14的溫度，在這種情況下它包括保持反應區(qū)14所需溫度的絕緣裝置。另一方法，熱交換裝置58可包括甲烷加熱器(未表示)，從外部加熱套管12和反應區(qū)14。或者，必要時裝置58可包括各種類型的電熱線圈或冷卻線圈。為了進一步控制反應區(qū)14的溫度，可以計量從入口42到管子38的水量，在反應器14內(nèi)局部地抑制氧化加熱。
在圖上還表示了反應產(chǎn)品分餾的洗滌和分離站60、分別輸送脫鹵烴和碳廢料和氯化氫進行貯存或處置的導管62和64。分離站60還包括導管66，用以再循環(huán)尚未脫鹵的化合物，將其通過計量閥68送往入口管38進行再處理。
操作時，已計量的計算數(shù)量的甲烷和氧氣通過入口導管16和20輸入入口管18，在那里進行混合流向尖端26，而后進入反應區(qū)14。已計量的待脫鹵化合物通過入口導管36直接進入管子38，同時有足夠數(shù)量的甲烷氣通過導管40以提供超過計算的燃料，從而在反應區(qū)14形成還原氣層。需要時可通過導管42加水，以便控制反應區(qū)內(nèi)的溫度。在輸入可燃燒數(shù)量的甲烷氣和氧氣或空氣進入反應區(qū)14之后，向?qū)Ь€30和32通電流，使電阻絲34灼熱點燃來自尖端26和50的匯流氣體混合物。也可以采用電火花或其他點火裝置。
不用說，可以采用各種不同的方法和設備將所述氣體輸入反應區(qū)14。例如，計算的燃料和氧氣混合物可通過第一入口輸入，而剩余的燃料和化合物分別通過第二和第三入口直接進入反應區(qū)14。并且，燃料、氧氣和化合物可分別輸入，或者通過一個入口。如果需要的話，廢料混合物或化合物在輸入反應器10之前最好適當?shù)胤治龊途?。為了保證無機化合物不致過量，需要進行處理。例如象鹽和石灰等一些無毒的水溶性材料不應大量加入，因為這些材料會與耐熱襯里起反應形成玻璃質(zhì)涂層而降低套管12的熱效率。最好將液態(tài)或固態(tài)的廢物加熱或蒸發(fā)成氣態(tài)，然后才輸入導管36。
除了鹵化氫外，來自反應區(qū)14的流出物中主要成分包括進入其中的脫鹵化合物以及少量的加成化合物及元素。例如，燃燒過程的產(chǎn)物水蒸汽和碳的氧化物，如果在此化合物中有硫存在或者有硫輸入反應區(qū)14，則將生成硫的氧化物出現(xiàn)在流出物中。如果空氣用作氧氣源，則不可燃的成分將被氧化，例如產(chǎn)生氮的氧化物。所有這些氧化物，均可溶于水，而且水溶液呈酸性，可在洗滌分離站60隨同氯化氫一起從匯流中除去。
除了上述的反應產(chǎn)物之后，由脫鹵烴的裂解或者由伴隨的雜質(zhì)可生成碳質(zhì)化合物，例如乙烯、乙炔和高分子量的烴，包括一些煙炱形式的碳。任何積聚在反應器內(nèi)的碳，當定期在高于675℃溫度下用空氣通過反應器時，均可被氧化和除去。
采用以上程序，反應時間非常短，一般在幾秒鐘內(nèi)完成。最好在反應器的熱區(qū)內(nèi)維持停留時間二到十秒鐘。
正如上述，反應的產(chǎn)物在洗滌分離站60分離和回收。從烴類中分離氯化氫和其他水溶性氣體的方法和裝置是已知的。例如，可參考戈林等人的2，488，083號美國專利。反應產(chǎn)物中的輕質(zhì)氣體可用分餾器除去。
這種反應在還原氣層中通過分裂碳和鹵素間的鍵進行的，隨之產(chǎn)生鹵化氫和脫鹵烴。上述特殊的反應中，氯化氫由于裂解特殊的氯代烴四氯化碳和氯苯產(chǎn)生，這些化合物選為上述過程的典型。其他鹵代烴的碳-鹵素鍵較弱，或者用機械作用脫鹵，激活能較低。這些化合物在下文中專門論述。
基于本森著的《化學動力學基礎》(麥格勞-希爾，1960)闡述的分析復雜鏈反應的方法以及本森等人著的《氣相單分子反應動力學數(shù)據(jù)》一書中的速率數(shù)據(jù)(NSRD，NBS，21，1970)，四氯化碳是最容易熱解的氯代氫，而氯苯是最難熱解的氯代烴。其他的氯代物，例如氯仿、甲基氯仿、四氯乙烯、甲叉二氯、多氯化聯(lián)二苯和dioxins，碳-鹵素鍵能介于四氯化碳和氯苯之間，因此在已述例子的范圍內(nèi)。此外，碘代的和溴代的烴類在較低溫度下熱解，并且分別在約200°和100℃溫度下(低于已述的氯代有機物的溫度)轉(zhuǎn)化為去鹵烴和碘化氫與溴化氫。
以下的例子將進一步闡述本發(fā)明。
例一采用在附圖中示意表示的裝置，燃燒甲烷和氧氣，加熱反應區(qū)以熱解四氯化碳。甲烷用量超過計算的數(shù)量以便產(chǎn)生還原氣層，并且四氯化碳與甲烷之比約為三比一，四氯化碳重量約占25%。反應器保持在約1025℃，而且保持通過量使得停留時間約為3秒鐘。出口流出物中含有乙烯、乙炔、苯、氫和一些高分子量的烴類以及煙炱形式的碳。出口流出物中包含所有的原來作為四氯化碳輸入的氯，以氯化氫的形式出現(xiàn)，即氯化氫的數(shù)量約占出口氣體的65%克分子。
例二在此例中，氯苯選為含氯的芳族化合物的典型例子。而且，已知它是所有含氯有機物中最難熱解的化合物。每一個克分子的氯苯用兩個克分子的甲烷(約21%的重量)，并且這些氣體在1125℃溫度下通過反應區(qū)，停留時間約三秒鐘。出口流出物主要是苯和乙烯，帶有以氯化氫出現(xiàn)的所有氯。加成產(chǎn)物包括乙炔、氫，未飽和的重烴和碳。
簡單地回顧一下可以看到，所提出的裂解含鹵素化合物的方法簡單、經(jīng)濟和效率高，而且其中所有的氯都轉(zhuǎn)化為易于分離和中和的氯化氫。
權利要求
1.轉(zhuǎn)化含鹵素有機化合物的一種方法，此法是在還原氣層中，至少在825℃溫度下熱解化合物，在基本上沒有鹵代烴的情況下產(chǎn)生鹵化氫流出物。
2.在第一條方法中所述的還原氣層是在一個反應室中混合甲烷和氧氣形成，甲烷的用量超過按下列反應式計算所需的數(shù)量
3.按照第一條或第二條，化合物從下列選出四氯化碳、氯仿、甲基氯仿、四氯乙烯、甲叉二氯、多氯化聯(lián)二苯和dioxins，產(chǎn)生的流出物包括基本上沒有氯代烴的情況下產(chǎn)生的氯化氫。
4.在第一或第二條方法中所述溫度是從約1025°到約1125℃。
5.在第二條方法中化合物從下述選出四氯化碳和氯苯。
6.在第三條方法中溫度是從約1025°到1125℃。
7.轉(zhuǎn)化含鹵素有機化合物的方法包括將氣相的化合物輸入單個反應室的第一端，反應室溫度從約825°到約1125℃。在上述反應室中保持還原氣層，將此化合物中的鹵素轉(zhuǎn)化為鹵化氫;并且從反應室的第二端排出已轉(zhuǎn)化的氣體，這些氣體包括鹵化氫，基本上不存在鹵代烴。
8.在第七條方法中還包括在反應室中輸入和燃燒氧氣和一種可燃氣體，用量足夠產(chǎn)生上述的溫度，氧氣量要少于反應室中氧化可燃氣體計算所需之數(shù)量，以便產(chǎn)生上述的還原氣層。
9.在第七或第八條方法中，化合物是氯代有機化合物，排出氣體包括氯化氫，基本上不存在氯代烴。
10.在第九條方法中，化合物是從下述選出四氯化碳、氯仿、甲基氯仿、四氯乙烯、甲叉二氯、及氯化聯(lián)二苯和dioxin，產(chǎn)生的流出物包括氯化氫，基本上不存在氯代烴。
11.在第九條方法中，化合物是四氯化碳或氯苯。
專利摘要
在還原氣層中通過氣相熱解轉(zhuǎn)化氯代有機化合物的一種方法，在基本上沒有氯代烴的情況下生產(chǎn)氯化氫。
文檔編號C07B37/06GK85106220SQ85106220
公開日1987年3月18日 申請日期1985年8月19日
發(fā)明者西德尼·W·本森, 梅亞·A·維斯曼 申請人:南加州大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan